光伏并網逆變器Simulink建模與教學仿真

聶曉華， 劉繼君

（南昌大學信息工程學院，南昌330031）

0 引 言

隨著新能源產業的不斷發展和人們環保意識的增強，以可再生能源為基礎的太陽能光伏發電系統得到了廣泛應用和推廣。光伏并網逆變器作為光伏發電和電網連接的重要紐帶，也是學習新能源發電技術中的重要課題［1-3］。

在現有各類文獻中，對光伏并網逆變器的講解多以理論分析為主，同時受試驗設備價格和規模的限制，初學者往往很難在學習周期內找到理論與實際運用中的聯系［4-6］。Simulink仿真實驗平臺能很好地將理論與實踐相結合，基于Simulink平臺搭建了單極式三相光伏并網逆變器仿真模型。以光伏并網逆變器最常用的恒功率控制策略為背景［7］，通過單極式三相光伏并網逆變器在同步旋轉dq坐標系下的數學模型解釋了系統中有功分量和無功分量的耦合問題及解決辦法，給出了詳細的建模仿真步驟。以仿真結果證明了理論分析的正確性，很好地將理論與實際相結合，能夠提高學生的學習熱情。

1 光伏并網逆變器的數學模型

單級式三相光伏并網逆變系統結構如圖1所示［8］。

圖1 單級式三相光伏并網主電路

假設三相系統對稱，并網逆變器在三相靜止abc坐標系下的電壓方程為：

在三相平衡情況下，系統只有兩個自由度，因此可以將三相系統簡化為兩相系統。將三相靜止坐標系下的系統電壓方程變換到兩相垂直靜止αβ坐標系下得：

在式（2）中，系統的變量仍然為交流量。由于典型的比例積分（Proportional Integral，PI）調節器無法實現交流量的無靜差控制，因此需要通過坐標變換將靜止坐標系中的交流量變成同步旋轉dq坐標系中的直流量。變換后的系統電壓方程為：

式中，ω為旋轉坐標系的同步角速度。在零初始狀態下對式（3）進行拉普拉斯變換［9］，得三相光伏并網逆變器在兩相同步旋轉dq坐標系下的傳遞函數為［10］：

與式（4）對應的模型結構如圖2所示。

圖2 同步坐標系下系統模型

由圖2可見，并網逆變器的數學模型在d、q軸間存在耦合。為實現解耦控制，采用前饋解耦策略，如圖3所示，在并網逆變器輸出電壓中分別引入前饋量＋ωLId（s）和-ωLIq（s）。解耦后等效模型結構見圖4。

圖3 引入前饋解耦的模型結構

圖4 解耦后的等效模型結構

2 恒功率控制仿真模型

恒功率控制是指光伏逆變器在最大功率點跟蹤控制的基礎上工作于恒定輸出有功功率和無功功率的控制模式［11］。本文采用基于電流閉環的矢量控制來實現逆變器恒功率輸出，因此首先討論dq旋轉坐標系下功率的表達式。

根據瞬時功率理論，電網側吸收的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q在dq旋轉坐標系下的計算式分別為［12-13］：

式中，ed、eq和id、iq的值別為電壓電流矢量在兩相旋轉坐標系中d、q軸上的投影值。根據式（5）可得電流指令計算模塊如圖5所示。

如圖6所示為單極式三相光伏并網逆變器在dq旋轉坐標系下恒功率控制系統示意圖。和分別為三相光伏并網逆變器輸出有功功率和無功功率的給定信號，的取值由光伏陣列實際輸出有功決定，的取值由系統需求決定。通過功率參考信號與測得的電網電壓實際值計算出參考電流指令。由參考電流指令與實際并網電流指令的誤差經過PI調節器獲得逆變器輸出電壓指令，再通過空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）技術實現逆變器輸出電壓跟蹤電壓指令［14］。

建立三相光伏并網逆變器的仿真模型［15］，如圖7所示，主電路由直流電源、同步脈沖觸發器、全控型開關橋、L濾波電路、負載和交流電源等部分組成。

設置系統交流電源有效值為220 V，頻率為50 Hz，負載容量為0.1 MW，濾波電感為0.5 mH，開關元件的開關頻率為15 kHz。經過計算和調試，當電流調節模塊的PI參數Kp和Ki分別取1.15和20能使系統穩定并有較好的跟蹤效果。

圖5 電流指令計算模塊

圖6 恒功率控制系統結構示意圖

圖7 系統仿真模型

3 仿真結果

設置仿真時間為0.5 s，有功功率參考值為1.2 kW，無功功率為0，即系統工作在單位功率因數狀態，如圖8所示為系統并網電流波形。

圖8 并網電流仿真波形

由圖8可以看出，并網電流能夠以較快的速度達到穩定值，且波形無畸變，說明在旋轉坐標系下PI控制能夠實現對正弦量的穩定跟蹤。

為了比較解耦前和解偶后的控制效果，設置有功功率參考值在0.5 s時由1.2 kW突變為1.5 kW。無功功率參考值始終為0。仿真時間為1 s，解耦前和解耦后的逆變器輸出功率曲線分別如圖9和圖10所示。

由圖9、10可見，是否加入解耦量對系統的穩態結果無影響。而在有功功率參考值突變時，解耦前無功功率受有功功率變化的影響比較明顯，解耦后無功功率幾乎不受有功功率動態變化的影響。這也說明了前饋解耦能夠有效消除同步旋轉dq坐標系下d軸分量和q軸分量之間的耦合。

圖9 解耦前系統輸出功率

圖10 解耦后系統輸出功率

4 結 論

利用Matlab／Simulink平臺搭建了基于恒功率控制策略的光伏并網逆變系統，詳細分析了兩相同步旋轉dq坐標系下有功分量和無功分量之間的耦合關系和前饋解耦的原理。仿真結果表明前饋解耦策略能有效改善系統的耦合情況，與理論分析結果相符。